KR20100042187A - Thermal management system for fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A heat and water management system is provided to secure a space of a thermal management system line, to reduce the number of parts, and to improve layout by replacing a conventional COD(cathode oxygen depletion)/heater. CONSTITUTION: A heat and water management system for fuel cell vehicles in which a water pump(22) and a radiator(24) are installed in a coolant line(20) of a stack has one integral structure of a cooling water line of power electronic parts and a cooling water line of stack by installing the cooling water line of stack to cool power and electronic parts(31) mounted on vehicles.

Description

연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템{Thermal management system for fuel cell vehicle}Heat management system for fuel cell vehicles {Thermal management system for fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에서 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat and water management system of a fuel cell vehicle, and more particularly, to a heat and water management system that removes the reaction heat of the stack to the outside of the system in the fuel cell vehicle and controls the operating temperature of the fuel cell stack. .

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemical reaction in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to the power supply of electrical / electronic products, especially portable devices.

연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합 체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.As an example of a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most frequently researched as a power supply for driving a vehicle, is formed on both sides of a membrane around an electrolyte membrane through which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on which electrochemical reactions occur, GDL (Gas Diffusion Layer), which distributes the reactants evenly and delivers the generated electrical energy. And a gasket and fastening mechanism for maintaining the airtightness and proper fastening pressure of the reactor bodies and cooling water, and a bipolar plate for moving the reactor bodies and cooling water.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. In the fuel cell, hydrogen as the fuel and oxygen (air) as the oxidant are respectively supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or 'water'). And the oxygen (air) are supplied to the cathode ('air' or 'oxygen', also known as 'reduction electrode').

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.

한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스 택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다. On the other hand, a fuel cell system mounted on a vehicle includes a fuel cell stack that generates large electric energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction to the fuel cell stack. It is composed of an air supply device for supplying the fuel cell, a heat and water management system (TMS) that removes the reaction heat of the fuel cell stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. With such a configuration, the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

상기한 연료전지 시스템에서는 특히 반응부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 및 물관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.In the fuel cell system, since the heat is generated as a reaction byproduct, an apparatus for cooling the stack is essential to prevent the temperature rise of the stack. In addition, the most urgent and difficult problem in the fuel cell system is the strategy of securing cold startability, so the role of the heat and water management system may be important.

주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급되므로 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.As is well known, the cooling water of the TMS line serves as a refrigerant that cools the stack, and is rapidly heated by a heater to be supplied to the stack during cold start, and thus serves to rapidly thaw the stack.

연료전지 차량에서 냉시동성 확보를 위한 종래의 해결책은 RTA(Rapid Thaw Accumulator) 내부의 히터를 이용한 순수의 급속 해빙이었다. 그러나, 순수를 이용하게 되면 빙점 이하에서는 순수가 결빙할 뿐만 아니라 냉각수 루프가 복잡해지고 추가적으로 드레인 밸브를 장착해야 하는 등 많은 어려움이 따른다.A conventional solution for securing cold startability in fuel cell vehicles has been rapid thawing of pure water using a heater inside a rapid thaw accumulator (RTA). However, when pure water is used, not only does the pure water freeze below the freezing point, but the cooling water loop becomes complicated and additional drain valves are required.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 스택용 부동액을 냉각수로 사용하고 빙점 이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수 급속 가열을 하는 방법이 있다. 이를 위해서는 히터를 스택 냉각수 라인에 부착하여야 한다.As a solution to this problem, there is a method of using the antifreeze for the stack as the coolant and rapidly cooling the coolant to smoothly generate power of the stack at a temperature below the freezing point. To do this, a heater must be attached to the stack coolant line.

또한 연료전지 차량에서는 연료전지의 시동(start up)/셧다운(shut down)시 촉매 담지 카본의 부식에 의한 스택 내구성 저하를 방지하기 위해 COD(Cathod Oxygen Depletion)를 스택 양 단자에 접속시켜 수소와 산소의 반응에 의한 전력 생성을 열에너지로 소비하게 된다. In addition, in fuel cell vehicles, the COD (Cathod Oxygen Depletion) is connected to both terminals of the stack in order to prevent the stack durability from being deteriorated due to corrosion of the catalyst-carrying carbon when the fuel cell is started up or shut down. Power generation by the reaction of is consumed as thermal energy.

첨부한 도 1은 종래기술에 따른 열 및 물 관리 시스템(TMS)을 도시한 개략도로서, 연료전지 스택을 중심으로 구성되어 있는 TMS 라인의 구성을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 냉각수 순환을 위한 물펌프(22), 외기와 냉각수의 열교환을 위한 라디에이터(24), 써모스탯(23), 부하 소모의 기능을 가진 COD 및 냉각수 가열을 위한 히터(21)를 포함한 구성으로 되어 있고, 여기서 COD와 히터는 일체화하여 동일 카트리지 형태로 구비될 수 있다. 1 is a schematic view showing a heat and water management system (TMS) according to the prior art, showing the configuration of a TMS line centered on a fuel cell stack. As shown, a water pump 22 for cooling water circulation, a radiator 24 for heat exchange between outside air and cooling water, a thermostat 23, a COD having a function of load consumption, and a heater 21 for heating the cooling water. It is configured to include, wherein the COD and the heater may be provided in the same cartridge form integrally.

이러한 COD/히터 카트리지는 가격이 고가이면서, 특히 COD의 경우 다수개의 히터봉이 내장된 구조로 구성되어 그 자체의 부피가 상당히 크기 때문에 전체 TMS 부피 중 상당한 부분을 차지한다. 이러한 COD의 큰 부피는 레이아웃 측면에서 매우 불리하게 작용한다.These COD / heater cartridges are expensive and, in particular, in the case of COD, are composed of a plurality of heater rods built in, so that the volume of the COD / heater cartridge is quite large, thus occupying a substantial portion of the total TMS volume. This large volume of COD is very disadvantageous in terms of layout.

근본적으로 히터와 COD는 모두 저항히터로서 사용시기와 용도만 다를 뿐 하나의 히터로 통합할 수 있다. 이와 같은 COD 통합 히터는 스택 냉각수 회로에 부착되어 발생되는 열을 모두 스택 냉각수의 승온에 사용해왔다. 또한 극저온 냉시동시 스택의 자체 발열 온도까지 냉각수 급속 승온 및 자체 발열 냉시동시 스택의 부하 소모, 그리고 연료전지의 시동 및 셧다운시 전극의 카본 부식 방지, 애노드 플러딩(anode flooding) 등 방지를 위해 COD 통합 히터가 TMS 라인에 별도로 부착되어 있었다.In essence, both heater and COD are resistance heaters, which can be integrated into a single heater, with the only difference in usage and usage. Such COD integrated heaters have used all the heat generated by attaching to the stack cooling water circuit to raise the temperature of the stack cooling water. In addition, the COD integrated heater is used to prevent the rapid rise of the coolant to the stack's self-heating temperature during cryogenic cold start, load consumption of the stack during self-heating cold start, and prevention of carbon corrosion of the electrode and anode flooding during fuel cell start-up and shutdown. Was attached separately to the TMS line.

만약 연료전지 차량의 전기동력 부품을 포함한 다른 구동계 혹은 다른 부하소모장치에서 상기한 COD 통합 히터의 기능을 대신 해준다면 TMS 라인의 공간 확보 및 부품수 축소, 원가 절감, 레이아웃 개선에 큰 효과를 얻을 수 있을 것이다. If the COD integrated heater replaces the functions of the COD integrated heater in other drive systems or other load-consumption devices, including the electric power components of fuel cell vehicles, the TMS line can be used to secure space, reduce the number of parts, reduce costs, and improve layout. There will be.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 차량에 탑재된 전기전력부품을 포함한 구동계 혹은 냉난방부품 등의 다른 부하소모장치에서 기존 COD/히터의 기능을 대신할 수 있도록 냉각루프를 개선함으로써, 전체 시스템의 공간 확보 및 부품수 축소, 원가 절감, 레이아웃 개선이 가능해지는 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.Accordingly, the present invention has been made in consideration of the above-mentioned point, the cooling loop is to replace the function of the existing COD / heater in other load consuming devices such as drive systems or heating and heating parts including electric power components mounted on the vehicle The purpose of the present invention is to provide a heat and water management system for a fuel cell vehicle, which enables space, reduced component count, cost reduction, and improved layout of the entire system.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 스택의 냉각수 라인에 물펌프와 라디에이터를 설치하여 구성되는 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention, in the heat and water management system of the fuel cell vehicle is configured by installing a water pump and a radiator in the cooling water line of the stack,

차량에 탑재된 전력전자부품의 냉각을 위해 상기 스택의 냉각수 라인이 상기 전력전자부품을 통과하도록 구비되어 전력전자부품의 냉각수 라인과 스택의 냉각수 라인이 하나의 통합된 구조로 되어 있고, 상기 전력전자부품과 스택 간을 순환하는 냉각수가 전력전자부품을 냉각하는 동시에 그로부터 제공받은 열로 스택을 워엄 업(warm up)해주도록 된 것을 특징으로 한다.The cooling water line of the stack passes through the power electronic component for cooling the power electronic component mounted in a vehicle, and the cooling water line of the power electronic component and the cooling water line of the stack have a single integrated structure. The coolant circulating between the component and the stack cools the power electronics and warms the stack with the heat provided therefrom.

또한 본 발명은, 스택의 냉각수 라인에 물펌프와 라디에이터를 설치하여 구성되는 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템에 있어서,The present invention also provides a heat and water management system for a fuel cell vehicle comprising a water pump and a radiator installed in a cooling water line of a stack.

차량에 탑재된 전력전자부품의 냉각을 위한 냉각수 라인이 상기 스택의 냉각수 라인과는 별도로 구비되되, 양측 냉각수 라인 사이에 중간열교환기가 설치되어, 스택의 냉각수가 상기 중간열교환기에서 전력전자부품을 통과한 냉각수로부터 열을 공급받아 스택을 워엄 업해주도록 된 것을 특징으로 한다.A coolant line for cooling the power electronics mounted in the vehicle is provided separately from the coolant line of the stack, and an intermediate heat exchanger is installed between both coolant lines, so that the coolant in the stack passes through the power electronic component in the intermediate heat exchanger. The stack is warmed up by receiving heat from one coolant.

여기서, 상기 전력전자부품은 스택의 부하 소모가 필요한 경우에 스택으로부터 연결된 케이블을 통해 전력을 공급받아 구동하면서 스택의 전류를 소모하는 부하소모장치로 사용되는 것을 특징으로 한다.In this case, when the power consumption of the stack is required, the power electronic component is used as a load consuming device that consumes the current of the stack while driving power supplied through a cable connected from the stack.

이에 따라, 본 발명의 열 및 물 관리 시스템에 의하면, 전기전력부품을 포함한 구동계 혹은 냉난방부품 등의 다른 부하소모장치에서 기존 COD/히터의 기능을 대신하게 됨으로써, TMS 라인의 공간 확보 및 부품수 축소, 원가 절감, 레이아웃 개선의 효과를 얻을 수 있다.Accordingly, according to the heat and water management system of the present invention, by replacing the function of the existing COD / heater in other load consuming devices such as drive systems or heating and heating parts including electric power components, to secure space in the TMS line and reduce the number of parts This can result in cost reduction and layout improvement.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 연료전지 차량에 탑재된 전력전자부품(PE(Power Elecronics) 부품)이 기존의 COD(연료전지의 전력 소모가 주 기능임) 및 히터(연료전지의 냉각수 가열 및 스택의 냉시동성 개선이 주 기능임)의 기능을 대신할 수 있도록 냉각루프를 개선하여 상기 전력전자부품이 연료전지의 전력을 소모하면서 전력전자부품에서 발생하는 열이 연료전지의 냉각수를 가열하는데 이용될 수 있도록 한 열 및 물 관리 시스템을 제시하고자 한다. In the present invention, a power electronic component (PE) component mounted in a fuel cell vehicle has a conventional COD (main power consumption of a fuel cell) and a heater (heating of the coolant of the fuel cell and improving the cold startability of the stack). Improving the cooling loop so that the power electronic component consumes the power of the fuel cell so that the heat generated from the power electronic component can be used to heat the cooling water of the fuel cell. We would like to present a water management system.

연료전지 차량에서 전력전자부품, 예를 들면 모터(차량 구동용 모터, 라디에이터 팬 모터 등)나 DCDC 컨버터(LDC(Low Voltage DCDC Converter) 등), 인버터 등의 전기전력부품을 포함한 구동계나 냉난방부품 등에는 자체 발열에 대응하기 위한 물관을 구비한 뒤 이 물관을 통해 냉각수를 공급하여 냉각수가 해당 부품으로부터 나오는 열을 흡수하도록 하는 냉각 시스템이 구성되어 있다. In fuel cell vehicles, power electronic components such as motors (vehicle driving motors, radiator fan motors, etc.), DCDC converters (LDC (Low Voltage DCDC Converter), etc.), drive systems and heating and heating parts including electric power components such as inverters, etc. Is equipped with a water pipe to cope with self-heating, and the cooling system is configured to supply cooling water through the water pipe so that the cooling water absorbs heat from the corresponding parts.

본 발명은 COD/히터의 역할을 열 발생 부품인 전력전자부품이 대신할 수 있도록 TMS 라인을 개선한 것으로, 전기전력부품을 포함한 구동계 혹은 냉난방부품 등의 다른 부하소모장치에서 기존 COD/히터의 기능을 대신하도록 함으로써, TMS 라인의 공간 확보 및 부품수 축소, 원가 절감, 레이아웃 개선의 효과를 얻고 한 것이다. The present invention is to improve the TMS line so that the role of COD / heater can be replaced by power electronic components, which are heat generating components, the function of the existing COD / heater in other load consumption devices such as drive systems or heating and heating components including electric power components By substituting for the TMS line, it is possible to secure space, reduce the number of parts, reduce costs, and improve layout.

본 발명에서와 같이 상기의 전력전자부품이 스택의 전력을 받아 전류를 소모하는 부하장치의 역할을 하면서 그때 발생하는 열로 스택을 워엄 업(warm up)시켜준다면 TMS 라인의 COD/히터는 삭제될 수 있으며, 다만 이때 스택의 냉시동을 고려하여 TMS 라인의 냉각수 회로를 최적의 배열로 구성해야 한다.The COD / heater of the TMS line can be eliminated if the power electronic component acts as a load device that consumes the current as the present invention and warms up the stack with the heat generated at that time. However, considering the cold start of the stack, the cooling water circuit of the TMS line should be configured in an optimal arrangement.

첨부한 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 및 물 관리 시스템의 구성도이다. 2 is a block diagram of a heat and water management system for a fuel cell vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a block diagram of a heat and water management system according to another embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 전력전자부품(PE 부품)의 냉각수 라인과 스택의 냉각수 라인이 일체화되어 하나의 냉각루프로 구성된 열 및 물 관리 시스템을 볼 수 있다. 냉각수 순환을 위한 물펌프(22), 냉각수와 외기의 열교환을 위한 라디에이터(24), 써모스탯(23) 등이 종래와 마찬가지로 스택의 냉각수 라인(20)에 구비되어 있고, 냉각수가 물펌프(22)에 의해 스택(10)과 라디에이터(24) 사이를 순환하면서 스택(10)의 열을 흡수한 뒤 라디에이터(24)에서 방출하도록 되어 있다.Referring to FIG. 2, a cooling water line of a power electronic component (PE part) and a cooling water line of a stack are integrated to see a heat and water management system composed of one cooling loop. The water pump 22 for cooling water circulation, the radiator 24 for heat exchange between the cooling water and the outside air, the thermostat 23 and the like are provided in the cooling water line 20 of the stack as in the prior art, and the cooling water is in the water pump 22 Circulating between the stack 10 and the radiator 24 to absorb heat from the stack 10 and release it from the radiator 24.

이때, 전력전자부품의 냉각수 라인을 스택의 냉각수 라인과 통합하여 하나의 냉각수 라인(20)을 구성하고, 스택(10)과 라디에이터(24) 사이를 순환하는 냉각수가 전력전자부품(31)에서 발생하는 열에 의해 가열되어 스택에 공급되도록 한다. 또한 전력전자부품(31)에서 발생한 열을 냉각수가 흡수한 뒤 라디에이터(24)에서 방출하는 것도 가능해진다. At this time, the coolant line of the power electronic component is integrated with the coolant line of the stack to form one coolant line 20, and the coolant circulating between the stack 10 and the radiator 24 is generated in the power electronic component 31. It is heated by the heat to be supplied to the stack. In addition, the heat generated by the power electronic components 31 can be released by the radiator 24 after absorbing the cooling water.

상기와 같이 전력전자부품(31)과 스택(10)에 대해 하나의 냉각루프를 구성하고, 이때 전력전자부품(31)은 스택(10)으로부터 연결된 케이블(11)을 통해 스택에서 생성된 전력을 공급받게 되어 있으며, 이에 필요시 전력전자부품(31)이 케이블(11)을 통해 스택(10)의 전력을 공급받아 구동하면서 전류를 소모할 수 있게 된다. As described above, one cooling loop is configured for the power electronic component 31 and the stack 10, wherein the power electronic component 31 receives power generated in the stack through the cable 11 connected from the stack 10. In this case, the power electronic component 31 may consume electric current while driving and receiving power from the stack 10 through the cable 11 when necessary.

물론, 전력전자부품의 구동은 그것을 제어하는 각 제어기에 의해 제어가 되는데, 예컨대 모터의 경우 연료전지 시스템 제어기를 상위 제어기로 하면서 MCU의 제어하에 구동이 이루어진다. 또한 LDC의 경우 자체 제어기(LDC 제어기)가 그 구동을 제어하게 된다.Of course, the driving of the power electronic components is controlled by each controller that controls it. For example, in the case of a motor, the driving is performed under the control of the MCU with the fuel cell system controller as the upper controller. In the case of LDC, its own controller (LDC controller) controls its operation.

상기와 같은 단일 냉각루프의 구성에서 전력전자부품(31)이 스택(10)의 전력을 적절히 소모하면서 그때 발생하는 열로 스택에 공급되는 냉각수를 가열하여 스 택을 워엄 업해준다면, 기존의 COD와 히터 없이도 스택의 전력 소모 및 냉시동성 개선이 가능해진다. In the configuration of the single cooling loop as described above, if the power electronic component 31 properly consumes the power of the stack 10 and heats the coolant supplied to the stack with the heat generated at that time, the stack is warmed up, the existing COD and the heater. Without this, the stack's power consumption and cold startability can be improved.

도 2의 구성에서 스택의 냉각수 이온전도도 조건을 맞추기 위해 냉각수 라인에 전기전도도 센서 등을 부착하여 전기전도도를 별도로 관리하는 것도 실시 가능하다.In the configuration of FIG. 2, in order to meet the coolant ion conductivity conditions of the stack, an electrical conductivity sensor or the like may be attached to the coolant line to manage electrical conductivity separately.

다음으로, 도 3을 참조하면, 전력전자부품(PE 부품)의 냉각수 라인(40)과 스택의 냉각수 라인(20)이 별도로 구비되고 양측 냉각수 간의 열교환을 위한 중간열교환기(50)가 추가되어 구성된 열 및 물 관리 시스템을 볼 수 있다. 즉, 전력전자부품의 냉각수 라인(40)과 스택의 냉각수 라인(20)이 각각 구성되어 2개의 냉각루프가 구비되는 것이며, 두 냉각루프 사이에 중간열교환기(50)가 설치되는 것이다. Next, referring to FIG. 3, a coolant line 40 of a power electronic component (PE component) and a coolant line 20 of a stack are separately provided, and an intermediate heat exchanger 50 for heat exchange between both coolants is added. Thermal and water management systems can be seen. That is, the cooling water line 40 of the power electronic component and the cooling water line 20 of the stack are configured to have two cooling loops, and an intermediate heat exchanger 50 is installed between the two cooling loops.

상기 스택의 냉각수 라인(20)에는 냉각수 순환을 위한 물펌프(22), 외기와 냉각수의 열교환을 위한 라디에이터(24), 써모스탯(23) 등이 종래와 마찬가지로 구비되어 있고, 냉각수가 물펌프(22)에 의해 스택(10)과 라디에이터(24) 사이를 순환하면서 스택(10)의 열을 흡수한 뒤 라디에이터(24)에서 방출하도록 되어 있다.Cooling water line 20 of the stack is provided with a water pump 22 for cooling water circulation, a radiator 24 for exchanging outside air and cooling water, a thermostat 23, and the like. 22 is used to absorb heat from the stack 10 while circulating between the stack 10 and the radiator 24 and release it from the radiator 24.

또한 상기 전력전자부품의 냉각수 라인(40)에는 냉각수 순환을 위한 물펌프(41)가 구비되며, 전력전자부품(31)은 스택(10)으로부터 연결된 케이블(11)을 통해 스택에서 생성된 전력을 공급받게 되어 있다. 이에 따라, 필요시 전력전자부품(31)이 케이블(11)을 통해 스택(10)의 전력을 공급받아 구동하면서 전류를 소모할 수 있게 된다. In addition, the cooling water line 40 of the power electronic component is provided with a water pump 41 for circulation of the cooling water, the power electronic component 31 receives the power generated in the stack through a cable 11 connected from the stack 10 It is to be supplied. Accordingly, when necessary, the power electronic component 31 may consume power while driving the power supply of the stack 10 through the cable 11.

중간열교환기(50)는 전력전자부품의 냉각수 라인(40)과 스택의 냉각수 라인(20) 간에 열을 전달하기 위한 것으로, 전력전자부품의 냉각수 라인(40)을 순환하는 냉각수가 전력전자부품(31)에서 발생한 열을 흡수한 뒤 중간열교환기(50)에서 스택의 냉각수에 열을 전달하며, 중간열교환기(50)에서 가열된 스택의 냉각수가 스택(10)으로 흘러 스택을 워엄 업해주게 된다. The intermediate heat exchanger 50 is for transferring heat between the coolant line 40 of the power electronic component and the coolant line 20 of the stack, and the coolant circulating through the coolant line 40 of the power electronic component is used in the power electronic component ( 31) absorbs the heat generated by the heat transfer to the cooling water of the stack in the intermediate heat exchanger (50), the cooling water of the stack heated in the intermediate heat exchanger (50) flows to the stack 10 to warm up the stack .

결국, 전력전자부품의 냉각수 라인(40)을 흐르는 냉각수는 기본적으로 전력전전자부품(31)을 냉각하게 되나, 냉각수가 전력전자부품을 냉각하는 동시에 가열되어 중간열교환기(50)에서 스택의 냉각수에 열을 전달하고, 이때 가열된 스택의 냉각수가 스택(10)을 워엄 업해주므로, 상기의 전력전자부품(31)은 기존 히터의 기능을 대신할 수 있게 된다.As a result, the coolant flowing through the coolant line 40 of the power electronic component basically cools the power electronic component 31, but the coolant cools the power electronic component and is heated at the same time to cool the stack in the intermediate heat exchanger 50. Since heat is transferred to the coolant in the heated stack, the warm water of the stack 10 is warmed up, and thus the power electronic component 31 may replace the function of the existing heater.

또한 스택(10)이 워엄되고 난 뒤에는 전력전자부품(31)에서 흡수된 열은 냉각수, 중간열교환기(50), 스택의 냉각수, 라디에이터(24)의 경로를 따라 방출될 수 있게 된다. In addition, after the stack 10 is warmed, the heat absorbed by the power electronic component 31 may be discharged along the path of the coolant, the intermediate heat exchanger 50, the coolant of the stack, and the radiator 24.

상기와 같은 구성에서 전력전자부품(31)이 스택(10)의 전력을 적절히 소모해주면서 그때 발생하는 열로 스택에 공급되는 냉각수를 가열하여 스택을 워엄 업해주므로, 기존의 COD와 히터 없이도 스택의 전력 소모 및 냉시동성 개선이 가능해진다. In the above configuration, since the power electronic component 31 properly consumes the power of the stack 10 and heats the coolant supplied to the stack with heat generated at that time, the stack warms up, thus consuming power of the stack without a conventional COD and a heater. And improved cold startability.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 전력전자부품(PE 부품)이 기존 COD/히터의 기능을 대신하도록 냉각 라인을 개선함으로써, TMS 라인의 공간 확보 및 부품수 축소, 원가 절감, 레이아웃 개선의 효과를 얻을 수 있으며, 특히 TMS 모듈 박스의 전 체 부피에서 가장 큰 비중을 차지하는 COD가 삭제될 수 있으므로 전체 시스템의 부피 축소 및 공간 확보 측면에서 큰 효과가 있게 된다. In this way, in the present invention, by improving the cooling line so that the power electronic components (PE components) replace the function of the existing COD / heater, it is possible to obtain the effect of securing the space of the TMS line, reducing the number of parts, reducing the cost, and improving the layout. In particular, since the COD, which occupies the largest portion of the total volume of the TMS module box, can be deleted, it has a great effect in terms of volume reduction and space saving of the entire system.

만약, 본 발명에서와 같이 전력전자부품의 열을 이용하는 TMS에서 냉각수 라인에 COD를 그대로 적용한다 하더라도 COD의 히터봉 개수 축소 및 용량 축소가 가능해지며, 이는 히터를 그대로 적용하는 경우에도 마찬가지이다. If the COD is applied to the cooling water line as it is in the TMS using heat of the power electronic component as in the present invention, the number of heater rods and the capacity of the COD can be reduced, even when the heater is applied as it is.

도 1은 종래기술에 따른 열 및 물 관리 시스템(TMS)을 도시한 개략도,1 is a schematic diagram illustrating a heat and water management system (TMS) according to the prior art;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템의 구성도, 2 is a block diagram of a heat and water management system for a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 및 물 관리 시스템의 구성도.3 is a block diagram of a heat and water management system according to another embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 연료전지 스택 20 : 스택의 냉각수 라인10 fuel cell stack 20 stack coolant line

21 : COD/히터 22 : 물펌프21: COD / heater 22: water pump

24 : 라디에이터 30 : 전력전자부품의 냉각수 라인24: Radiator 30: Cooling water line of power electronic components

31 : 전력전자부품(PE 부품) 32 : 물펌프31: power electronic parts (PE parts) 32: water pump

40 : 중간열교환기40: intermediate heat exchanger

Claims (4)

스택의 냉각수 라인(20)에 물펌프(22)와 라디에이터(24)를 설치하여 구성되는 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템에 있어서,In the heat and water management system of a fuel cell vehicle configured by installing a water pump 22 and a radiator 24 in a cooling water line 20 of a stack, 차량에 탑재된 전력전자부품(31)의 냉각을 위해 상기 스택의 냉각수 라인(20)이 상기 전력전자부품(31)을 통과하도록 구비되어 전력전자부품의 냉각수 라인과 스택의 냉각수 라인이 하나의 통합된 구조로 되어 있고, 상기 전력전자부품(31)과 스택(10) 간을 순환하는 냉각수가 전력전자부품(31)을 냉각하는 동시에 그로부터 제공받은 열로 스택(10)을 워엄 업(warm up)해주도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.The cooling water line 20 of the stack is provided to pass through the power electronic component 31 for cooling the power electronic component 31 mounted in a vehicle so that the cooling water line of the power electronic component and the cooling water line of the stack are integrated. And a coolant circulating between the power electronic component 31 and the stack 10 cools the power electronic component 31 and warms up the stack 10 with heat provided therefrom. And a heat and water management system for a fuel cell vehicle. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 전력전자부품(31)은 스택의 부하 소모가 필요한 경우에 스택(10)으로부터 연결된 케이블(11)을 통해 전력을 공급받아 구동하면서 스택의 전류를 소모하는 부하소모장치로 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.The power electronic component 31 is used as a load consuming device that consumes the current of the stack while driving and receiving power through a cable 11 connected from the stack 10 when the load of the stack is required. Heat and water management system for fuel cell vehicles. 스택의 냉각수 라인(20)에 물펌프(22)와 라디에이터(24)를 설치하여 구성되 는 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템에 있어서,In the heat and water management system of a fuel cell vehicle, which is formed by installing a water pump 22 and a radiator 24 in a coolant line 20 of a stack, 차량에 탑재된 전력전자부품(31)의 냉각을 위한 냉각수 라인(40)이 상기 스택의 냉각수 라인(20)과는 별도로 구비되되, 양측 냉각수 라인(20,40) 사이에 중간열교환기(50)가 설치되어, 스택의 냉각수가 상기 중간열교환기(50)에서 전력전자부품(31)을 통과한 냉각수로부터 열을 공급받아 스택(10)을 워엄 업해주도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.A coolant line 40 for cooling the power electronic component 31 mounted in a vehicle is provided separately from the coolant line 20 of the stack, and the intermediate heat exchanger 50 is disposed between both coolant lines 20 and 40. Is installed, the coolant of the stack receives heat from the coolant passing through the power electronic components 31 in the intermediate heat exchanger 50 to warm up the stack 10, characterized in that the heat and water for a vehicle Management system. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 전력전자부품(31)은 스택의 부하 소모가 필요한 경우에 스택(10)으로부터 연결된 케이블(11)을 통해 전력을 공급받아 구동하면서 스택의 전류를 소모하는 부하소모장치로 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.The power electronic component 31 is used as a load consuming device that consumes the current of the stack while driving and receiving power through a cable 11 connected from the stack 10 when the load of the stack is required. Heat and water management system for fuel cell vehicles.
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